LABORATORIO DI ELETTRONICA OGGETTO: RILIEVO DELLA CURVA CARATTERISTICA DI UN DIODO AL SILICIO SCHEMA

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1 ALUNNO: Fratto Claudio CLASSE: IV B Informatico ESERCITAZIONE N : 3 LABORATORIO DI ELETTRONICA OGGETTO: RILIEVO DELLA CURVA CARATTERISTICA DI UN DIODO AL SILICIO SCHEMA DATI: R = 100Ω 1

2 STRUMENTI UTILIZZATI COMPONENTI UTILIZZATI 1) Alimentatore 1) 1 resistenza da 1kΩ 2) 2 multimetri impostati uno come 2) diodo 1N4007 voltmetro e uno come milliamperometro 3) Box montaggio DATI RILEVATI N V(V) I(mA) 1 0,463 0,1 2 0,529 0,4 3 0,548 0,6 4 0,563 0,6 5 0,574 1,0 6 0,630 3,0 7 0,655 5,0 8 0,663 6,0 9 0,670 7,0 10 0,677 8,0 11 0,687 10,0 12 0,696 12,0 13 0,700 13,0 14 0,707 15,0 2

3 GRAFICO CURVA CARATTERISTICA DEL DIODO RILEVATA SPERIMENTALMENTE 3

4 RELAZIONE L esperienza effettuata in laboratorio si è articolata in tre fasi: 1) la prima fase consisteva nell andare a rilevare i valori della caduta di tensione, avente luogo sul diodo, per ogni prova, fornendo un valore di tensione al circuito non prestabilito ma derivato da un valore di corrente, attraversante il diodo, già fissato; 2) la seconda fase consisteva nell andare a riportare le coppie di valori rilevati (tensione corrente) su di un grafico, congiungendo tutti i punti rilevati per ottenere la curva caratteristica del diodo utilizzato; 3) la terza fase consisteva nell andare ad analizzare la curva ottenuta, dimostrando il funzionamento del diodo. CENNI TEORICI SUI SEMICONDUTTORI: I materiali semiconduttori sono dei materiali che hanno una resistività, cioè una predisposizione ad opporsi al passaggio di corrente, intermedia rispetto ai materiali conduttori e ai materiali isolanti. Questo genere di materiale è alla base di quasi tutti i dispositivi utilizzati nel settore dell elettronica. I materiali semiconduttori puri sono costituiti da elementi che hanno una banda di valenza composta da quattro elettroni. La banda di valenza consiste nell insieme di quelli elettroni caratterizzati da un livello di energia basso che gli permette di rimanere nei pressi dell atomo al quale appartengono. I semiconduttori puri sono quindi dei materiali composti da elementi tetravalenti. Ciascun atomo mette in comune i quattro elettroni di valenza facendo si che, attratti dagli atomi più prossimi, si vadano a formare dei legami, tra gli atomi stessi, di tipo covalente. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, i semiconduttori, poiché gli elettroni di valenza restano nei pressi dell atomo al quale appartengono, si comportano da ottimi isolanti, cioè non consento il passaggio di elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. La banda di conduzione consiste nell insieme di quelli elettroni caratterizzati da un livello di energia alto che gli consente di staccarsi dall atomo di appartenenza dando origine ad una conduzione di tipo elettrica. I materiali semiconduttori si possono comportare anche come degli ottimi conduttori di corrente. Ciò è possibile attraverso il processo di drogaggio. Questo processo consiste nell inserire all interno della struttura atomica del materiale un elemento caratterizzato o da cinque o da tre elettroni di valenza, che per questo motivo vengono chiamati rispettivamente elementi pentavalenti o trivalenti. a) Analisi di un semiconduttore drogato con elementi pentavalenti Se un semiconduttore viene drogato con l inserimento di elementi pentavalenti, dei cinque elettroni che formano la banda di valenza dell elemento drogante soltanto quattro vengono utilizzati, dagli elettroni di valenza degli elementi che compongono il semiconduttore, per formare dei legami covalenti. Conseguenza di ciò è che un elettrone di valenza degli elementi pentavalenti resta libero facendo si che, se alimentassimo questo tipo di semiconduttore drogato con un generatore esterno, l insieme degli elettroni rimasti liberi svolgerebbe un ottima funzione di conduzione di corrente, comportandosi quindi da ottimi conduttori della stessa. Quando viene eseguito questo tipo di drogaggio il semiconduttore viene chiamato di tipo N. 4

5 SCHEMA: b) Analisi di un semiconduttore drogato con elementi trivalenti Se un semiconduttore viene drogato con l inserimento di elementi trivalenti, i tre elettroni che formano la banda di valenza dell elemento drogante sono tutti utilizzati, per formare dei legami covalenti, da tre degli elettroni di valenza degli elementi che compongono il semiconduttore. Conseguenza di ciò è la creazione di una lacuna. Essa consiste in un posto libero, nella banda di valenza dell elemento drogante, che è in attesa di venire occupato da un elettrone che, a sua volta, spostandosi va a creare una nuova lacuna. In altri termini la lacuna può essere vista come una carica positiva mobile che può dare origine ad una corrente elettrica. Infatti, se si alimenta con un generatore esterno questo tipo di semiconduttore drogato si verifica un movimento di lacune che genera quindi una conduzione elettrica. Quando viene eseguito questo tipo di drogaggio il semiconduttore viene chiamato di tipo P. SCHEMA: 5

6 LA GIUNZIONE PN Se si uniscono un semiconduttore di tipo N ed uno tipo P si crea una giunzione PN. Quando ciò avviene si verifica uno spostamento di cariche che coinvolge gli elettroni liberi del semiconduttore di tipo N e le lacune del semiconduttore di tipo P. Essi, essendo di segno opposto, nel punto in cui i due tipi di semiconduttori si uniscono, si neutralizzano. Verificandosi uno spostamento di cariche, le lacune che si spostano nel semiconduttore N, lasciano nella zona P della giunzione una carica negativa, mentre gli elettroni liberi che si spostano nel semiconduttore P, lasciano nella zona N della giunzione una carica positiva. In maniera consequenziale, dopo che, in prossimità della giunzione, una certa quantità di elettroni liberi e di lacune si sono neutralizzati e dopo la creazione di una certa quantità di cariche negative e positive, nelle rispettive parti della giunzione, queste cariche, generando una differenza di potenziale, non consentono un ulteriore passaggio di elettroni e di lacune, che sono quindi costrette a rimanere nelle rispettive parti della giunzione. Questa differenza di potenziale viene comunemente chiamata barriera di potenziale (Vs). Il valore della Vs varia a seconda del materiale semiconduttore. Per i semiconduttori al silicio essa è pari a 0,6 V, mentre per i semiconduttori al germanio è pari a 0,2V. SCHEMA: LA POLARIZZAZIONE DELLA GIUNZIONE PN Dopo aver creato una giunzione PN è possibile polarizzarla. La polarizzazione di una giunzione consiste nel collegare un generatore di tensione ai suoi estremi. Esistono sue tipi di polarizzazione: la polarizzazione diretta e la polarizzazione inversa. a) la polarizzazione diretta Si ha una polarizzazione diretta quando il polo positivo del generatore di tensione viene collegato alla zona P della giunzione ed il polo negativo viene collegato alla zona N. Conseguenza di questo collegamento è la restrizione della barriera di potenziale che, essendo più piccola, consente un più facile attraversamento della stessa dei portatori di carica maggioritarie (elettroni liberi e lacune), consentendo quindi un passaggio di corrente. b) la polarizzazione inversa Si ha una polarizzazione inversa quando il polo positivo del generatore di tensione viene collegato alla zona N della giunzione ed il polo negativo viene collegato alla zona P. Conseguenza di questo collegamento è l allargamento della barriera di potenziale che, essendo 6

7 più ampia, non consente agli elettroni liberi presenti nella zona N ed alle lacuna presenti nella zona P di oltrepassare la barriera stessa, non consentendo quindi un passaggio di corrente. Tuttavia è possibile che sia presente un passaggio di una corrente di piccolissima entità, chiamata corrente inversa di saturazione, dovuta al movimento dei cosiddetti portatori di cariche minoritarie cioè al movimento delle lacuna presenti nella zona N e degli elettroni presenti nella zona P. La polarizzazione di una giunzione fa si che si crei un componente fondamentale nell elettronica: il diodo. CENNI TEORICI SUI DIODI: I diodi sono dei componenti passivi non lineari, cioè non hanno una proporzionalità tra la tensione alla quale vengono sottoposti e la corrente che li attraversa, costituiti da una giunzione PN polarizzata. Essi sono dei componenti bipolari, cioè componenti dotati di due terminali: il terminale che si collega alla zona P della giunzione viene chiamato anodo (A), mentre il terminale che si collega alla zona N della stessa viene chiamato catodo (K). La funzione ideale di un diodo è quella di favorire al massimo il passaggio di corrente da una parte e di bloccarlo completamente dall altra. Questa funzione viene espressa graficamente attraverso la curva caratteristica. Nel caso dei diodi costituiti da giunzioni al silicio la curva caratteristica, riportata sui data- sheet, è : Dall analisi del grafico si può osservare che: 1) con tensioni positive la giunzione si polarizza direttamente. Da un ulteriore analisi si evince che: a) con tensioni comprese tra lo zero e la tensione di soglia (Vs), il valore che assume la corrente è trascurabile; b) con tensioni superiori alla tensione di soglia, il valore che assume la corrente è apprezzabile; c) per piccole variazioni di tensione, superiore alla tensione di soglia, si hanno grandi variazioni di corrente. 2) con tensioni negative la giunzione si polarizza inversamente. In questo caso il valore della corrente è molto piccolo; esso rappresenta la corrente inversa di saturazione. 7

8 FASE 1: Per rilevare la curva di risposta di un diodo costituito da una giunzione al silicio polarizzata direttamente si è montato un circuito dotato di un generatore di tensione, caratterizzato da una resistenza interna trascurabile, con in serie una resistenza R ed un diodo. Lo scopo della R era quello di limitare la quantità di corrente che può passare nel diodo onde evitarne uno di valore superiore a quello massimo e specifico previsto per ciascun componente che, in caso di un passaggio di corrente di grande entità, potrebbe rompersi. In fase di realizzazione del circuito si è inserito: 1) un multimetro, impostato come milliamperometro, immediatamente dopo ed in serie alla R, per rilevare il valore della corrente che passa nel diodo; 2) un multimetro, impostato come voltmetro, ai capi del diodo per rilevarne la sua caduta di tensione. Finite le operazioni di collegamento si è passati alla rilevazione dei dati. Sono state effettuate 14 rilevazioni. Procedendo in maniera logica si sarebbe dovuto fornire un valore di tensione al circuito, per mezzo del generatore, per poi rilevare il valore della corrente che attraversa il diodo e la sua caduta di tensione. Tuttavia, per evitare di rilevare valori di corrente davvero elevati, si è andati a fornire valori di tensione al circuito facendo si che la corrente che attraversava il diodo avesse un valore fissato all inizio dell esperienza, verificandolo sul multimetro impostato come milliamperometro. Per ognuna delle 14 rilevazioni si è quindi rilevato il valore della caduta di tensione del diodo. FASE 2: Alla rilevazione dei dati è seguita la trascrizione degli stessi in una tabella (vedi foglio 2). Una volta terminata la compilazione della tabella si è stati in grado di rappresentare la curva caratteristica del diodo su un grafico di assi cartesiani posizionando sull asse delle ascisse i valori della caduta di tensione avente luogo sul diodo, espressi in Volt, e sull asse delle ordinate i valori di corrente attraversante lo stesso componente, espressi in ma. Una volta posizionati tutti i punti (ognuno dei quali rappresentavano i valori di ogni singola rilevazione) si è stati in grado di congiungerli ricavandone una curva raffigurata nel foglio 3. FASE 3: Dopo aver rappresentato il grafico si è potuti passare alla sua analisi. ANALISI SULLA CURVA CARATTERISTICA: a) la curva, fino al raggiungimento della tensione di soglia, si sovrappone all asse delle ascisse, dimostrando la trascurabilità della corrente rilevata; b) la curva, una volta superato il valore della tensione di soglia (Vs), assume un andamento crescente, dimostrando l apprezzabilità della corrente rilevata; c) la curva, superato il valore di Vs, ha un andamento che, in maniera repentina, tende a diventare quasi verticale, dimostrando che per piccole variazioni di tensione si hanno grandi variazioni di corrente. Dall analisi effettuata si può affermare che il diodo utilizzato nell esperienza ha funzionato in maniera corretta. 8